Быстродействующий следящий электропривод переменного тока с трапецеидальным фазным напряжением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Рокало Даниил Юрьевич

• Рокало Даниил Юрьевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Рокало Даниил Юрьевич

Введение

1 Принципы построения и основные особенности современных

следящих электроприводов переменного тока

1.1 Принципы структурного построения современных следящих электроприводов переменного тока

1.2 Способы коммутации силовых транзисторов, применяемые в частотных преобразователях электроприводов

переменного тока

1.3 Известные дискретные модели цифровых следящих электроприводов переменного тока

1.4 Выводы по первой главе

2 Теоретическое обоснование применения силовых преобразователей с трапецеидальной формой фазного напряжения в следящих электроприводах переменного тока

2.1 Анализ действующего значения и гармонического состава выходного

напряжения частотных преобразователей с 2 к -коммутацией

транзисторов

2.2 Анализ действующего значения и гармонического состава выходного напряжения частотных преобразователей с к-коммутацией транзисторов

2.3 Анализ действующего значения и гармонического состава выходного напряжения частотного преобразователя с трапецеидальной формой выходного фазного напряжения

2.4 Влияние трапецеидального фазного напряжения на вращение

магнитного поля трехфазного двигателя переменного тока

2.5 Анализ вращения магнитного поля трехфазного двигателя переменного тока в частотных преобразователях с 2 л - и л-коммутацией

транзисторов

2.6 Выводы по второй главе

3 Разработка и исследование энергоэффективного частотного преобразователя, формирующего трапецеидальную форму фазного напряжения

3.1 Функциональная схема и принцип работы частотного преобразователя, формирующего трапецеидальное фазное напряжение на статорных обмотках двигателя переменного тока

3.2 Цифровой модулятор для формирования трапецеидального

фазного напряжения

3.3 Исследование гармонического состава выходного сигнала частотного преобразователя, формирующего трапецеидальное фазное напряжение,

с учетом процессов широтно-импульсной модуляции

3.4 Влияние способа формирования трапецеидального фазного напряжения на гармонический состав выходного сигнала частотного преобразователя

3.5 Экспериментальные исследования частотного преобразователя

с трапецеидальным фазным напряжением

3.6 Выводы по третьей главе

4 Принцип построения и математическая модель быстродействующего следящего электропривода переменного тока при реализации

на программируемой логике

4.1 Структурная схема и методика выбора параметров быстродействующего следящего электропривода переменного тока

4.2 Функциональные схемы цифровых регуляторов следящего электропривода переменного тока при технической реализации

на программируемой логике

4.3 Математическая модель цифрового следящего электропривода переменного тока с учетом разных периодов дискретизации

в регуляторах

4.4 Оценка адекватности дискретной математической модели цифрового следящего электропривода методом компьютерного моделирования

4.5 Экспериментальные исследования следящего электропривода переменного тока с разными периодами дискретизации отдельных составляющих закона регулирования

4.6 Выводы по четвертой главе

Заключение

Библиографический список

Приложения

Приложение 1. Акт об использовании результатов диссертационной работы

Рокало Д.Ю. в ЗАО «Стан-Самара»

Приложение 2. Акт об использовании результатов диссертационной работы Рокало Д.Ю. в учебном процессе ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстродействующий следящий электропривод переменного тока с трапецеидальным фазным напряжением»

Актуальность работы

Электропривод переменного тока находит широкое применение во всех отраслях промышленности. При этом следует отметить, что во всем мире, начиная с 70-х годов 20 века, электропривод переменного тока стал вытеснять электропривод постоянного тока в областях, которые требуют регулирования скорости и положения исполнительного механизма. Это объясняется тем, что асинхронные и синхронные двигатели превосходят двигатели постоянного тока по конструктивной простоте, надежности и эксплуатационным характеристикам. В связи с этим в настоящее время интерес к электроприводам переменного тока непрерывно растет.

Особую роль в промышленности играют следящие электроприводы переменного тока, быстродействие которых в основном определяет динамическую точность прецизионного оборудования, например, станков и промышленных роботов. Поэтому исследования, направленные на повышение быстродействия следящих электроприводов переменного тока, являются актуальной задачей.

Однако следует отметить, что кроме быстродействия любой электропривод характеризуется энергетической эффективностью, которая определяется в частности потерями в элементах привода. Структура этих потерь сложна, однако одним из аспектов повышения энергетической эффективности следящего электропривода переменного тока является снижение коммутационных потерь в силовых транзисторах частотного преобразователя. Поэтому работы, направленные на уменьшение этих потерь в сочетании с обеспечением малых коэффициентов высших гармоник в выходном сигнале инвертора, также являются актуальными.

Современная тенденция в развитии следящих электроприводов переменного тока заключается в применении разных периодов дискретизации при вычислении составляющих закона регулирования и программируемой логики при технической

реализации отдельных элементов привода. При этом актуальной является задача создания аналитических математических моделей цифровых следящих электроприводов переменного тока с учетом разных периодов дискретизации и особенностей их технической реализации.

Степень разработанности проблемы

Разработке и математическому описанию электроприводов переменного тока посвящены исследования большого количества российских и иностранных ученых. Такие ученые, как А.С. Анучин, И.Я. Браславский, А.А. Булгаков, А.Б. Виноградов, В.И. Доманов, Ю.Н. Калачев, В.Г. Каширских, С.А. Ковчин, В.Ф. Козаченко, А.Е. Козярук, М.С. Лысов, Н.В. Мишин, В.Г. Макаров, В.Н. Мещеряков, О.П. Михайлов, Г.Б. Онищенко, О.И. Осипов, Л.П. Петров, А.Д. Поздеев, В.В. Рудаков, Ю.А. Сабинин, Г.Г. Соколовский, В.М. Терехов, А.А. Усольцев, И.И. Эпштейн, B.K. Bose, J. Holts, W. Leonard и множество других проводили изыскания в области электроприводов переменного тока с синхронными и асинхронными исполнительными двигателями [1 - 42]. Причем эти работы, как правило, включали в себя исследования регулируемых и следящих электроприводов с векторным управлением с традиционным структурным построением, называемым системы подчиненного управления (СПР). Следящие электроприводы, использующие такой принцип построения, не отличаются высоким быстродействием, поскольку каждый последующий контур СПР увеличивает инерционность привода как минимум в два раза. Кроме того, в следящих электроприводах прецизионных станков и промышленных роботов, как правило, не допускается перебег исполнительного механизма относительно заданной координатой (перерегулирование), и борьба с этим явлением приводит к снижению быстродействия.

Поэтому в России велись работы по поиску альтернативных путей построения следящих электроприводов. Примером могут послужить работы С.Я. Галиц-кова и С.Л. Лисина, посвященные разработке следящих электроприводов переменного тока, построенных по принципам многоконтурных систем с одной измеряемой координатой [43 - 53]. Быстродействие таких электроприводов, определяемое по графикам переходных процессов «в малом», в несколько раз превосхо-

дит системы подчиненного регулирования с векторным управлением двигателями переменного тока.

Отдельный круг работ посвящен созданию быстродействующих следящих электроприводов с асинхронными исполнительными двигателями, использующих в своем структурном построении симбиоз систем векторного управления с многоконтурными систем с одной измеряемой координатой [54 - 59].

Но в перечисленных выше работах не затронут вопрос математической модели цифрового следящего электропривода, использующего разные периоды дискретизации при вычисления отдельных составляющих закона регулирования, не смотря на то, что фактически во многих современных приводах такой подход применяют.

Большое количество исследований посвящено принципам управления силовыми полупроводниковыми приборами частотных преобразователей [1, 13, 36, 60 - 67]. В этих работах показано, что на современном этапе развития минимумом коммутационных потерь обладают инверторы с векторными модуляторами, которые на каждом периоде широтно-импульсной модуляции (ШИМ) коммутируют четыре транзистора силового преобразователя [1, 13].

Однако, более простой технической реализацией и низкими коммутационными потерями обладают частотные преобразователи, которые формируют трапецеидальное фазное напряжение на статорных обмотках двигателя переменного тока (при соединении этих обмоток в «звезду») [68, 69].

Следует также отметить, что аналитических исследований гармонического состава выходного напряжения инверторов с учетом процесса ШИМ и различных законов коммутации силовых транзисторов практически невозможно найти в современных научных публикациях.

Анализ степени разработанности проблемы позволил сформулировать цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности следящего электропривода переменного тока.

Задачи диссертационного исследования:

1. Разработка частотного преобразователя, формирующего трапецеидальное фазное напряжение и обеспечивающего снижение коммутационных потерь в силовых транзисторах.

2. Аналитическое исследование гармонического состава выходного сигнала частотного преобразователя с трапецеидальным фазным напряжением с учетом процесса широтно-импульсной модуляции.

3. Разработка технической реализации быстродействующего следящего электропривода переменного тока на программируемой логике.

4. Создание дискретной математической модели цифрового следящего электропривода переменного тока с учетом разных периодов дискретизации отдельных составляющих закона регулирования.

5. Проведение натурных экспериментов, подтверждающих адекватность теоретических исследований.

Объектом исследования является электропривод переменного тока.

Предметом исследования является быстродействующий следящий электропривод переменного тока, математическая модель электропривода, частотный преобразователь, формирующий трапецеидальное фазное напряжение.

Методы решения

В работе использовались методы теории электропривода, теоретических основ электротехники, электрических машин, разложения в гармонический ряд Фурье, преобразования Лапласа и z-преобразования, численного моделирования в программной среде «Matlab Simulink».

Научная новизна

1. Разработан новый подход к построению частотного преобразователя с трапецеидальным фазным напряжением, отличающийся простотой технической реализации и снижением коммутационных потерь в силовых транзисторах.

2. Получены аналитические выражения для определения гармонического состава выходного напряжения частотного преобразователя при трапецеидальной

форме фазного напряжения статора, отличающиеся учетом процессов широтно-импульсной модуляции.

3. Разработана дискретная математическая модель цифрового следящего электропривода, отличающаяся учетом разных периодов дискретизации при вычислении отдельных составляющих закона регулирования и особенностей структурного построения.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработанный следящий электропривод с трапецеидальным фазным напряжением обеспечивает повышение энергетической эффективности за счет снижения коммутационных потерь и коэффициентов высших гармоник.

2. Предложенный вариант построения регуляторов и цифрового модулятора частотного преобразователя на программируемой логике значительно упрощает техническую реализацию и методику настройки быстродействующего следящего электропривода.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением расчетов с данными натурных экспериментов.

Реализация результатов работы

Основные результаты работы были использованы в ЗАО «Стан-Самара» (г. Самара) при проведении проектно-конструкторских и наладочных работ и в учебном процессе ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», что подтверждается актами внедрения.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XXIV Международной научной конференции «Технические науки - от теории к практике» (г. Санкт-Петербург, 2017), Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения» (г. Самара, 2018) и Международной научной конференции «FarEastCon» (г. Владивосток, 2018) и XXXIII Международной научной конференции «Технические науки - от теории к практике» (г. Санкт-Петербург, 2019).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ общим объемом 4,29 п.л., в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК РФ, 1 статья индексируемая в международных базах цитирования Web of Science и Scopus и 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора состоит в разработке цифрового модулятора, формирующего с помощью трехфазного транзисторного моста трапецеидальное фазное напряжение; в получении формул, позволяющих определить величину амплитуд высших гармоник в выходном сигнале частотного преобразователя с учетом процесса широтно-импульсной модуляции; в разработке варианта технической реализации регуляторов следящего электропривода на программируемой логике; в определении дискретной передаточной функции разработанного следящего электропривода с учетом разных периодов дискретизации при вычислении отдельных составляющих закона регулирования; в проведении вычислительных и натурных экспериментов.

На защиту выносятся:

1. Обоснование структурного построения следящего электропривода переменного тока и применения частотного преобразователя с трапецеидальным фазным напряжением.

2. Результаты исследование гармонического состава выходного сигнала частотного преобразователя с трапецеидальным фазным напряжением с учетом процесса широтно-импульсной модуляции

3. Вариант технической реализации быстродействующего следящего электропривода переменного тока на программируемой логике.

4. Дискретная математическая модель цифрового следящего электропривода с учетом разных периодов дискретизации отдельных составляющих закона регулирования и особенностей структурного построения.

5. Результаты натурных экспериментов по оценке адекватности проведенных теоретических исследований.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы изложена на 122 страницах машинописного текста, иллюстрирована 56 рисунками и 15 таблицами. Библиографический список содержит 90 наименований на 10 страницах.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности задачи разработки быстродействующего следящего электропривода переменного тока с трапецеидальным фазным напряжением, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены известные принципы структурного построения следящих электроприводов переменного тока. Рассмотрены три основных типа построения следящих электроприводов переменного тока: система векторного подчиненного регулирования, многоконтурных систем с одной измеряемой координатой и их линейная комбинация. Проанализированы данные о быстродействии известных следящих электроприводов переменного тока. Рассмотрены основные принципы построения частотных преобразователей и способы коммутации силовых транзисторов автономных инверторов с широтно-импульсной модуляции. Проанализирован гармонический состав выходного напряжения частотных преобразователей в зависимости от способа коммутации. Проведен обзор известных дискретных математических моделей цифровых следящих электроприводов переменного тока.

Во второй главе проведено обоснование применения частотных преобразователей, формирующих трапецеидальное фазное напряжение, в следящих электроприводах переменного тока. Найдены коэффициенты высших гармоник для

2

выходных сигналов инверторов с —л - и л-коммутацией силовых транзисторов.

Показано, что несмотря на плохой гармонический состав выходного напряжения таких частотных преобразователей, следящие электроприводы, использующие их в своем составе, имеют очень высокое быстродействие. Получены аналитические

выражения для определения коэффициентов ряда Фурье для трапецеидального фазного напряжения. Проанализирован гармонический состав выходного сигнала частотного преобразователя, формирующего на статорных обмотках двигателя переменного тока трапецеидальное фазное напряжение. Показано, что применение таких инверторов в следящих электроприводах снижает коэффициенты высших гармоник в несколько раз по сравнению с частотными преобразователями с

2 л - и л-коммутацией силовых транзисторов. Исследовано влияние трапецеидального фазного напряжения на модуль и скорость вращения векторов напряжения и тока статора двигателя переменного тока.

В третьей главе разработан новый подход к построению частотного формирователя, формирующего трапецеидальное фазное напряжение. Рассмотрена его функциональная схема, принцип работы и законы коммутации силовых транзисторов. Показано, что каждый период широтно-импульсной модуляции переключаются 3 транзистора, а при максимальной амплитуде выходного напряжения - только 2. Это позволило сделать вывод, что по сравнению с синусоидальной модуляцией коммутационные потери в частотных преобразователях, формирующих трапецеидальное фазное напряжение, будут как минимум в 2 раза меньше. По сравнению с инверторами с векторной модуляцией ожидаемое снижение коммутационных потерь составит как минимум 25%. Разработан цифровой модулятор осуществляющий трапецеидальную широтно-импульсную модуляцию. Найдены аналитические выражения, позволяющие рассчитать коэффициенты высших гармоник с учетом процесса широтно-импульсной модуляции. Показано, что алгоритм трапецеидальной модуляции влияет на гармонический состав выходного напряжения инвертора. Проведены натурные испытания частотного преобразователя, формирующего трапецеидальное фазное напряжение.

В четвертой главе выбран вариант структурного построения следящего электропривода переменного тока для обеспечения высокого быстродействия. Показано, что методика синтеза регуляторов такого электропривода позволяет при цифровой реализации выбрать практически все параметры, кратные двум. В

связи с этим предложено реализовать регуляторы на программируемой логической интегральной схеме. Разработано оригинальное схемное решение интегрального регулятора, обеспечивающее устойчивость рассматриваемого следящего электропривода переменного тока во всех возможных диапазонах изменения перемещений и скоростей. Разработана также совокупность пропорционального и пропорционально-дифференциального регуляторов, а также звена дифференцирования в цепи обратной связи по скорости при реализации на программируемой логике. Показано, что при вычислении отдельных составляющих закона регулирования можно применять разные периоды дискретизации. Разработана дискретная математическая модель предлагаемого следящего электропривода переменного тока в виде дискретной передаточной функции с учетом разных периодов дискретизации. Проведена оценка адекватности полученной математической модели методом сравнения результатов компьютерного моделирования и натурных экспериментов. Показано, что расхождение результатов не превышает 1,64%. Результаты натурных испытаний также доказывают высокое быстродействие разработанного следящего электропривода переменного тока, поскольку время переходного процесса в «малом» не превышает 0,061 с.

1 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СЛЕДЯЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА

1.1 Принципы структурного построения современных следящих электроприводов переменного тока

Современные следящие электроприводы переменного тока в большинстве случаев имеют структурное построение систем векторного управления [1, 5, 13, 14, 29, 34, 36], дополненных контуром положения. В частном случае структурная схема таких электроприводов может выглядеть следующим образом (рисунок 1.1) [70].

Рисунок 1.1 - Структурная схема традиционного следящего электропривода переменного тока с векторным управлением

Она содержит трехконтурную систему регулирования положения х, замкнутую по датчику положения с коэффициентом передачи кдй, и одноконтурную систему регулирования проекции вектора тока /ы на вращающуюся вместе с ротором двигателя систему координат. Система регулирования положения включает в себя

внутренний контур регулирования проекции вектора тока /1(?, контур скорости и контур положения с соответствующими регуляторами & , Ж (р) и Ж (р) и датчиками обратных связей косс и кост. Это традиционный способ построения следящих электроприводов переменного тока по принципам подчиненного регулирования координат. Следует отметить, что приведенная на рисунке 1.1 структурная схема соответствует векторному управлению асинхронным двигателем, который отражен такими параметрами, как Я1э, Т1э, Т2, Ь0, ¿2, ^ и 2п [29, 37]. На приведенной структурной схеме приняты также следующие обозначения: & и Тсп - коэффициент передачи и постоянная времени частотного преобразователя; Т, - постоянная времени апериодического фильтра на входе контура скорости; & - коэффициент передачи исполнительного механизма; р - комплексная переменная.

Несмотря на то, что следящие электроприводы переменного тока, построенные по принципам подчиненного регулирования координат с векторным управлением, завоевали весь мир, их быстродействие является очень скромным. Действительно, время переходного процесса по управляющему воздействию в малом в таких электроприводах составляет 1 - 2,5 с [44, 71, 72].

Это явилось причиной поиска других принципов структурного построения следящих электроприводов переменного тока. Примером может послужить следящий электропривод со скалярным управлением асинхронным исполнительным двигателем (рисунок 1.2) [43]. Такое структурное построение систем получило в литературе название многоконтурные системы управления с одной измеряемой координатой (МСОИК) [43, 53, 73, 74]. Электропривод имеет три контура: контур скорости и два контура положения. Во внутреннем контуре (контуре скорости) применен пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор (р). Во втором контуре использован пропорциональный регулятор & , а в третьем (внешнем контуре) - пропорционально-интегральный регулятор Ж» (Р).

х ( рУ

н8>-> гт (р)

i

(-)

ОТ

^ ( р )

к„.

КУ (р)

х( р)

косс Р

к

дп

Рисунок 1.2 - Структурная схема следящего электропривода со скалярным управлением асинхронным исполнительным двигателем, построенного по принципам многоконтурных систем с одной измеряемой координатой

Под объектом управления с передаточной функцией Ш (р) в этом следящем

электроприводе понимается асинхронный двигатель с исполнительным механизмом, причем принципиально подразумевается скалярное частотное управление исполнительным двигателем. Экспериментальных данных о быстродействии такого привода в [43] не приводится, однако по результатам компьютерного моделирования можно ожидать время переходного процесса «в малом» порядка 0,4 с.

Принцип МСОИК применен и в двухконтурном следящем электроприводе переменного тока (рисунок 1.3) [43, 75]. Такой следящий электропривод получил название структурно-минимального.

X ( р)

(-)

НЯН- ^ (р)

к

(-)

кд ( р)

Шоу ( Р )

х( Р) • ►

к

Рисунок 1.3 - Структурная схема двухконтурного следящего электропривода со скалярным управлением асинхронным двигателем

к

сп

В отличие от варианта, представленного на рисунке 1.2, в нем отсутствует контур скорости, пропорциональный регулятор и во внешнем контуре применен интегральный регулятор (р). В таком следящем электроприводе с синхронным исполнительным двигателем достигнуто время переходного процесса равное 0,32 с.

В случае применения асинхронного исполнительного двигателя со скалярным частотным управлением двухконтурный следящий электропривод показал более скромный результат - 0,8 с.

Прорывом с позиций повышения быстродействия явилось создание трех-контурного следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем, построенного по принципам МСОИК (рисунок 1.4)

X (рУ

ж (р)

кп

i

(-)

Кд ( Р )

к„

КУ (р)

х( р) • >

косс р

к

дп

Рисунок 1.4 - Структурная схема трехконтурного следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем

Его главное структурное отличие от варианта, приведенного на рисунке 1.2, заключается в применении во внешнем контуре интегральный регулятор с передаточной функцией (р). По сравнению с принципом построения структурно-минимального следящего электропривода в нем есть контур скорости и пропорциональный регулятор во внутреннем контуре положения. В трехконтурном следящем электроприводе с синхронным двигателем было достигнуто высокое быстродействие, характеризуемое временем переходного процесса 0,07 с [44]. Причем необходимо отметить, что главный вклад в достижение такого быстродействия вносит оригинальная методика параметрического синтеза регуляторов [44, 45].

Применительно к асинхронному исполнительному двигателю большого быстродействия удалось достичь в следящем электроприводе, структурная схема которого приведена на рисунке 1.5 [54 - 59]. Такой вариант структурного построения представляет собой симбиоз многоконтурных систем с одной измеряемой координатой и СПР.

Л* (р)

к„

Ррт (р) ксп 1

Тп р + 1 Я1э (Т1эр +1)

и

Т2 р +1

¥г( р)

-Н^*

1

Тр

к п

(-)

кп

кпд (Тпдр +1)

косср

ксп 1

Тп р + 1 Ъ, Т р +1)

37 ик

п 0 им

К зр р1

Х( р)

»

к

к

Рисунок 1.5 - Структурная схема быстродействующего следящего электропривода переменного тока с асинхронным

исполнительным двигателем

Время переходного процесса в пятиконтурном следящем электроприводе, структура которого приведена на рисунке 1.5, не превышает 0,11 с, что говорит о его высоком быстродействии.

1.2 Способы коммутации силовых транзисторов, применяемые в частотных преобразователях электроприводов переменного тока

Необходимо отметить, что способы построения современных частотных преобразователей очень разнообразны. Прежде всего инверторы следует разделить на высоковольтные и низковольтные. В высоковольтных преобразователях также наблюдается широкий спектр построения: комбинация низковольтного инвертора с повышающим трансформатором, преобразователи с многоуровневой широтно-импульсной модуляцией [62, 67] и блочно-модульный принцип построения из низковольтных ячеек.

В следящих электроприводах переменного тока в основном находят применение низковольтные частотные преобразователи, поскольку диапазон мощностей исполнительных двигателей, например, для металлорежущих станков и промышленных роботов ограничен несколькими десятками киловатт [76]. Низковольтные преобразователи могут быть двухзвенными с промежуточным звеном постоянного тока [29] или непосредственные, например, матричные [60]. Двухзвенные преобразователи в свою очередь можно разделить на два основных типа: с управляемым и неуправляемым выпрямителем [29].

Остановимся на автономных инверторах с широтно-импульсной модуляцией, в которых используется неуправляемый выпрямитель, поскольку именно такой принцип построения частотных преобразователей наиболее часто встречается в следящих электроприводах переменного тока. Упрощенно силовую схема таких инверторов можно представить следующим образом (рисунок 1.6) [77]

Рассмотрим известные законы коммутации силовых транзисторов, исторически сложившиеся к настоящему времени.

с широтно-импульсной модуляцией

2

Прежде всего необходимо отметить частотные преобразователи с —к -

коммутацией транзисторов, в которых каждый период широтно-импульсной модуляции работают два транзистора из комплекта УТ1 - УТ6 [29, 36, 77]. Период выходного напряжения инвертора делится на шесть частей, и рабочий участок каждого транзистора составляет 120 электрических градусов. В результате трехфазная система напряжения, подаваемая на статорные обмотки двигателя (например, асинхронного) выглядит следующим образом (рисунок 1.7). На рисунке изображен случай, соответствующий максимальному действующему значению фазного напряжения, когда на рабочем участке силовой транзистор полностью открыт.

Основной недостаток частотных преобразователей с 2 к -коммутацией транзисторов заключается в плохом гармоническом составе выходного напряжения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рокало Даниил Юрьевич, 2019 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2015. - 373 с.

2. Браславский, И. Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением / И. Я. Браславский. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -224 с.

3. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. - М.: Академия, 2004. - 256 с.

4. Булгаков, А.А. Частотное управление асинхронными Булгаков, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями / А.А. Булгаков. - М.: Наука, 1966. -297 с.

5. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А.Б. Виноградов. - Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008. - 298 с.

6. Виноградов А.Б. Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ / А.Б. Виноградов, И.Ю. Колодин, А.Н. Сибирцев // Силовая электроника. - 2006. - № 3. - С. 50 - 55.

7. Виноградов А.Б. Бездатчиковый асинхронный электропривод с адаптивно-векторной системой управления / А.Б. Виноградов, И.Ю. Колодин // Электричество. - 2007. - № 2. - С. 44 - 50.

8. Доманов В.И. Автоматизированный электропривод автономного транспортного средства / В.И. Доманов, Н.В. Мишин, А.В. Доманов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 6, 2012. - С. 33 - 35.

9. Доманов В.И. Синтез и моделирование автономных электромеханических систем / В.И. Доманов, Н.В. Мишин, А.В. Доманов // Электроника и электрооборудование транспорта, № 1, 2014. - С. 35 - 39.

10. Доманов В.И. Управление и диагностика автономного электропривода с вычислителями координат / В.И. Доманов, Н.В. Мишин, А.В. Доманов // Электроника и электрооборудование транспорта, № 6, 2014. - С. 26 - 29.

11. Доманов В.И. Анализ электропривода автономного объекта / В.И. Доманов, Н.В. Мишин, Д.С. Халиуллов // Известия самарского научного центра российской академии наук. Том 16 номер 4(3), 2014 - С. 600 - 602.

12. Доманов В.И. Синтез автономных электроприводов с низкой чувствительностью к параметрическим возмущениям / В.И. Доманов, Н.В. Мишин, А.В. Доманов // Электроника и электрооборудование транспорта, № 1, 2015. - С. 41 -43.

13. Калачев Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика) / Ю.Н. Калачев. -М.: ЭФО, 2013. - 63 с.

14. Калачев Ю.Н. Наблюдатели состояния в векторном электроприводе / Ю.Н. Калачев. - М.: ЭФО, 2015. - 80 с.

15. Каширских В.Г. Динамическая идентификация параметров и управление состоянием электродвигателей приводов горных машин: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.09.03. - Кемерово, 2005. - 356 с.

16. Каширских В.Г. Динамическая идентификация асинхронных электродвигателей: монография. - Кемерово: КузГТУ, 2005. - 139 с.

17. Ковчин С.А. Теория электропривода / С.А. Ковчин, Ю.А. Сабинин. - СПб.: Энергоатомиздат, 1994. - 496 с.

18. Козаченко В.Ф. Создание серии высокопроизводительных встраиваемых микроконтроллерных систем управления для современного комплектного электропривода: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.09.03. - Москва, 2007. - 326 с.

19. Козярук, А.Е. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов / А.Е. Козярук, В.В. Рудаков. - СПб: СПб Электротехническая компания, 2004. - 127 с.

20. Лысов М.С. Дискретная математическая модель цифровой системы управления поворотным столом / М.С. Лысов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». №1 (23) - 2009. -Самара: СамГТУ, 2009. - С. 160 - 166.

21. Lysov V.E. Discrete mathematical model of a digital control system for a turntable / V.E. Lysov, M.S. Lysov, A.V. Starikov // Russian Engineering Research, 2010, Vol. 30, No. 7. - pp. 721-724.

22. Макаров В.Г. Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода / В.Г. Макаров // Изв. вузов: Проблемы энергетики. - Казань: КГЭУ, 2010, № 11 - 12. - С. 109 - 120.

23. Макаров В.Г. Оптимальное управление токами электрических машин / В.Г. Макаров В.А. Матюшин // Вестник Казан. технол. ун-та. - Казань: КГЭУ, 2010, № 11. С. 186 - 195.

24. Макаров В.Г. Идентификация параметров трехфазного асинхронного двигателя / В.Г. Макаров // Изв. вузов: Проблемы энергетики. - Казань: КГЭУ, 2010, № 3-4. С. 88 - 101.

25. Макаров В.Г. Идентификация параметров и токов ротора трехфазного асинхронного двигателя / В.Г. Макаров // Изв. вузов: Проблемы энергетики. -Казань: КГЭУ, 2010, № 7 - 8. С. 101 - 116.

26. Макаров В.Г. Оценивание параметров трехфазного асинхронного двигателя / В.Г. Макаров, Ю.А. Яковлев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 9. - С. 418 - 425.

27. Мещеряков В.Н. Инверторы и преобразователя частоты для систем электропривода переменного тока / В.Н. Мещеряков. - Липецк: ЛГТУ, 2014. - 89 с.

28. Мещеряков В.Н., Безденежных Д.В. Наблюдатель потокосцепления для машины двойного питания, управляемой по статорной и роторной цепям // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. -Т. 6. - № 11. - С. 170-173.

29. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов / О.П. Михйлов. - М.: Машиностроение, 1990. - 304 с.

30. Онищенко Г.Б. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания / Г.Б. Онищенко, И.Л. Локтева. - М.: Энергия, 1979. - 200 с.

31. Онищенко Г.Б. Теория электропривода: учебник для студ. высш. учебн. заведений / Г.Б. Онищенко. - М.: ООО «Образование и исследование, 2013. - 352 с.

32. Петров Л.П. Асинхронный электропривод с тиристорными коммутаторами / Л.П. Петров, В.А. Ландензон, М.П. Обуховский, Р.Г. Подзолов. - М.: Энергия, 1970. - 128 с.

33. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах / А.Д. Поздеев. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1998. - 172 с.

34. Рудаков В. В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 136 с.

35. Сабинин, Ю.А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Ю.А. Сабинин, В.Л. Грузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 126 с.

36. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г.Г. Соколовский. - М.: Академия, 2006. - 265 с.

37. Терехов В.М. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.М. Терехов, О.И. Осипов; Под ред. В. М. Терехова. - М.: Издательский центр «Академик», 2005. - 304 с.

38. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями. - СПб.: СПбГИТМО, 2002. - 42 с.

39. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока / И.И. Эпштейн. - М.: Энергоиздат, 1982. - 192 с.

40. Bose B.K. Modern power electronics and AC drives. - Prentice-Hall Inc., 2002. -711 p.

41. Holts J. Sensorless Control of Induction Motor Drives / Proceedings of the IEEE, Vol. 90, No. 8, 2002. - pp. 1359 - 1394.

42. Leonard W. Control of Electrical Drives. - Berlin: Springer, 1996. - 420 p.

43. Галицков С.Я., Галицков К.С. Многоконтурные системы управления с одной измеряемой координатой: Монография / С.Я. Галицков, К.С. Галицков . - Самара: СГАСУ, 2004. - 140 с.

44. Лисин С.Л. Структурно-параметрический синтез быстродействующего следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем: дис. ... канд. техн. наук / С.Л. Лисин. - Самара: СамГТУ, 2016. - 179 с.

45. Лисин С.Л. Повышение быстродействия следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем / С.Л. Лисин // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». -2012. - № 4 (36). - Самара: СамГТУ, 2012. - С. 173 - 181.

46. Стариков А.В. Параметрический синтез регуляторов быстродействующего следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем / А.В. Стариков, С.Л. Лисин // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014: в 2 т. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. - Т. 1. - С. 283 - 287.

47. Стариков А.В. Алгоритм расчета параметров регуляторов следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем / А.В. Стариков, С.Л. Лисин // Интерстроймех-2014: материалы Международной науч.-тех. конференции, 9-11 сентября 2014 г., Самар. гос. арх.-строит. ун-т. - Самара, 2014. - С. 163 - 167.

48. Патент России № 2489798, МПК Н02Р 7/06, Н02Р 6/00, 005Б 11/01, 005Б 11/36. Следящий электропривод / А. В. Стариков (Россия) // Опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22.

49. Патент России № 2499351, МПК Н02Р 8/14. Следящий электропривод / А.В. Стариков, С.Л. Лисин (Россия). - Опубл. 20.11.2013, Бюл. № 32.

50. Патент России № 2605948, МПК Н02Р1/04, Н02Р7/14, Н02Р7/00, Н02Р6/17. Следящий электропривод / А.В. Стариков, С.Л. Лисин (Россия) // Опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1.

51. Лисин С.Л. Дискретная математическая модель цифрового следящего электропривода с синхронным исполнительным двигателем / С.Л. Лисин, А.В. Стариков // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 1 (37) - 2013. - Самара: СамГТУ, 2013. - С. 203 - 208.

52. Starikov A.V. Increasing of the Response Speed of the Rotary Table Servo Drive / A.V. Starikov S.L. Lisin, D.Yu. Rokalo // 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), IEEE Xplore, 2019. - pp. 1-5.

53. Стариков А.В. Новые технические решения в современных следящих электроприводах: учебное пособие по дисциплине «Системы управления электроприводов» / А.В. Стариков, С.Л. Лисин, В.А. Арефьев, Д.Н. Джабасова. - Самара: СамГТУ, 2018. - 93 с.

54. Патент России № 2580823, МПК H02P21/00, H02P21/12, H02P27/06, G05B11/36. Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем / А.В. Стариков, Д.Н. Джабасова (Россия) // Опубл. 10.04.2016, Бюл. № 34.

55. Стариков А.В. Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем / А.В. Стариков, Д.Н. Джабасова // Известия высших учебных заведений «Электромеханика», № 5 - 2014. - С. 72 - 75.

56. Патент России № 2621716, МПК Н02Р27/06. Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем / А.В. Стариков, Д.Н. Джабасова (Россия) // Опубл. 07.06.2017, Бюл. № 16.

57. Стариков А.В. Алгоритм расчета параметров регуляторов следящего электропривода с асинхронным двигателем / А.В. Стариков, Д.Н. Джабасова, Д.Ю. Рокало // Сборник публикаций научного журнала «Globus» по материалам XXIV международной научной конференции: «Технические науки - от теории к практике» г. Санкт-Петербурга: сборник со статьями. - СПб.: Научный журнал «Globus», 2016. - С. 89 - 94.

58. Стариков А.В.Математическая модель цифрового следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем / А.В. Стариков, Д.Н. Джабасова, Д.Ю. Рокало // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 2 (50) - 2016. - Самара: СамГТУ, 2016. -С. 162 - 168.

59. Starikov A.V., Ovsyannikov V.N., Dzhabasova D.N. Analog prototype of the high response time servo drive with an asynchronous motor // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2017. - pp. 1 - 4.

60. Варыгин И.А. Регулируемый электропривод для турбомеханизмов на основе матричного преобразователя частоты: автореф. дис. ... канд. техн. наук / И.А. Варыгин. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2019. - 19 с.

61. Герасимов И. Преимущества пространственно-векторной модуляции / И. Герасимов // Конструктор. Машиностроитель, № 4, 2013. - С. 24 - 25.

62. Коротков А.А. Новый алгоритм векторного формирования ШИМ высоковольтного преобразователя с минимизацией коммутационных потерь / А.А. Коротков, А.Б.Виноградов // Вестник ИГЭУ, вып. 4, 2013. - С. 1 - 7.

63. Паршин М.В. Сравнение КПД ШИМ синхронных электроприводов / М.В. Паршин, Д.В. Самохвалов, В.А. Скурихин // Робототехника и техническая кибернетика, 4 (5), 2014. - С. 73 - 74.

64. Aida Baghbany Oskouei. Generalized space vector controls for MLZSI / Aida Baghbany Oskouei, Ali Reza Dehghanzadeh // Ain Shams Engineering Journal 6 (2015). - P. 1161 - 1169.

65. Akash S. Pabbewar. Three Level Neutral Point Clamped Inverter using Space Vector Modulation with Proportional Resonant Controller / Akash S. Pabbewar, M. Kowsalya // Energy Procedia 103 ( 2016 ). - P. 286 - 291.

66. Mohammed T. Lazima. Space Vector Modulation Direct Torque Speed Control Of Induction Motor / Mohammed T. Lazima, Muthanna J. M. Al-khishali, Ahmed Isa. Al-Shawi // Procedia Computer Science 5 (2011). - P. 505 - 512.

67. Shriwastava R.G. Simulation Analysis of Three Level Diode Clamped Multilevel Inverter Fed PMSM Drive Using Carrier Based Space Vector Pulse Width Modulation (CB-SVPWM) / R.G.Shriwastava, M.B. Daigavaneb, P.M. Daigavane // Procedia Computer Science 79 ( 2016 ). - P. 616 - 623.

68. Патент России № 2216850, МПК H03K7/08. Цифровой модулятор для преобразователя частоты асинхронного электродвигателя / А.В. Стариков, В.А. Стариков (Россия) // Опубл. 20.11.2003, Бюл. № 32.

69. Патент России № 2517423, МПК H03K7/08. Цифровой модулятор для управления синхронным электродвигателем / А.В. Стариков, С.Л. Лисин, Л.Я. Ма-каровский (Россия) // Опубл. 27.05.2014, Бюл. № 15.

70. Simovert Masterdrives Motion Control: Compendium. - Germany: Siemens AG, 2006. - 1498 p.

71. Денисов В.А. Позиционная система электропривода с программной коррекцией / В.А. Денисов, Р.Р. Мадышев, О.А. Бородин // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». - 2014. - № 3 (43). - Самара: СамГТУ, 2014. - С. 123 - 130.

72. Джанхотов В. В. Исследование и разработка следящих электроприводов на базе вентильных двигателей с управлением от сигнального процессора для шагающего робота: дис. ... канд. техн. наук / В.В. Джанхотов - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. - 245 с.

73. Макаричев Ю.А. Теоретические основы расчета и проектирования радиальных электромагнитных подшипников / Ю.А. Макаричев, А.В. Стариков. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 150 с.

74. Стариков А.В. Методология синтеза многосвязной системы электромагнитных подшипников с повышенными жесткостными характеристиками энергетических объектов: дис. ... докт. техн. наук / А.В. Стариков. - Самара: СамГТУ, 2013. - 354 с.

75. Патент России № 2358382, МКИ H02P 7/06. Следящий электропривод с асинхронным электродвигателем / А.В. Стариков, С.А. Стариков (Россия) // Опубл. 10.06.2009, Бюл. № 16.

76. ГОСТ 27803-91. Электроприводы регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Технические требования. - М.: Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1991. - 22 с.

77. Стариков А.В. Цифровые модуляторы для систем управления электроприводов: учебное пособие по дисциплине «Системы управления электроприводов» / А.В. Стариков, С.Л. Лисин, Д.Ю. Рокало. - Самара: СамГТУ, 2018. - 74 с.

78. Чернов Е.А. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ / Е. А. Чернов, В.П.

Кузьмин. - Горький: Волго-Вятское кн. издательство, 1989. - 319 с.

79. Стариков А.В. Анализ качества выходного напряжения частотных преобразователей с простейшими законами коммутации силовых транзисторов / А.В. Стариков, С.Л. Лисин, Д.Ю. Рокало // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 2 (58) - 2018. - Самара: СамГТУ, 2018. - С. 128 - 134.

80. Стариков А.В., Рокало Д.Ю. Влияние процесса коммутации силовых транзисторов в частотном преобразователе на работу электрооборудования погружного насоса / А.В. Стариков, Д.Ю. Рокало // Ашировские чтения: Сб. трудов Международной научно-практической конференции. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2018. - С. 366 - 370.

81. Костоломов Е.М., Шибанов С.В. Результаты работы высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов насосных агрегатов перекачки нефти на объектах ОАО «Сургутнефтегаз» / Е.М. Костоломов, С.В. Шибанов // Экспозиция Нефть Газ 5/Н октябрь 2009. - С. 33 - 35.

82. Микропроцессорные системы автоматического управления / В.А. Бесекер-ский, Н.Б. Ефимов, С.И. Зиатдинов и др.; Под общ. Ред. В.А. Бесекерского. -Л.: Машиностроение, 1988. - 365 с.

83. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике / М.Я. Выгодский. - М.: Физматгиз, 1961. - 783 с.

84. ГОСТ 32144-2013. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Стандартинформ, 2014. - 16 с.

85. Джабасова Д.Н. Разработка быстродействующего следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем: дис. ... канд. техн. наук / Д.Н. Джабасова. - Самара: СамГТУ, 2017. - 136 с.

86. Патент России № 2844070, МПК H03K7/08. Цифровой модулятор для преобразования частоты / С.Л. Лисин, Д.Ю. Рокало, А.В. Стариков (Россия) // Опубл. 07.02.2018, Бюл. № 4.

87. Стариков А.В. Анализ гармонического состава трапецеидального фазного напряжения, формируемого частотным преобразователем / А.В. Стариков, В.В. Кузнецов, Д.Ю. Рокало // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 3 (55) - 2017. - Самара: Сам-ГТУ, 2017. - С. 75 - 79.

88. Стариков А.В. Влияние трапецеидальной формы напряжения на вращение магнитного поля в электродвигателях переменного тока / А.В. Стариков, Д.Ю. Рокало // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 3 (47) - 2015. - Самара: СамГТУ, 2015. - С. 149 - 153

89. Стариков А.В. Особенности частотного преобразователя, формирующего трапецеидальное фазное напряжение / А.В. Стариков, С.Л. Лисин, Д.Ю. Рокало, Р.Р. Партузенков // Сборник публикаций научного журнала «Globus» по материалам XXXXIII международной научной конференции: «Технические науки - от теории к практике» г. Санкт-Петербурга: сборник со статьями. - СПб.: Научный журнал «Globus», 2019. - С. 70 - 76.

90. Стариков А.В. Влияние широтно-импульсной модуляции на гармонический состав выходного напряжения частотного преобразователя / А.В. Стариков, С.Л. Лисин, Д.Ю. Рокало // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 1 (61) - 2019. - Самара: СамГТУ, 2019. - С. 153 - 166.

133

Приложения

Приложение 1

Акт об использовании результатов диссертационной работы Рокало Д.Ю.

в ЗАО «Стан-Самара»

Приложение 2

Акт об использовании результатов диссертационной работы Рокало Д.Ю. в учебном процессе ФГБОУ ВО «Самарский государственный

технический университет»

Приложение 1

Приложение 2